KHẢO SÁT DAO ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ppt

40
Bộ mơn Kỹ thuật điện, Khoa Điện – Điện tử
Tài liệu hướng dẫn thí
nghiệm h
ệ
th
ố
ng
đ
i
ệ
n

Họ và tên : ………………………………………
Lớp : …………………………………………………
MSSV : ……………………………………………
BÀI 9
KHẢO SÁT DAO ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

I. MỤC ĐÍCH:
♦ Quan sát đặc tính quá độ của động cơ đồng bộ
♦ Nghiên cứu ảnh hưởng của quán tính và điện kháng lên tần số dao động
II. TÓM TẮT LÝ THUYẾT:
Bài thí nghiệm này liên quan tới đặc tính của động cơ điện đồng bộ khi chúng bò thay
đổi tải đột ngột. Để giải thích đơn giản, chúng ta giả sử rằng công suất theo góc pha của động
cơ lớn có giá trò đỉnh là 2MW như ở hình 1 và giả sử vò trí của rotor không tải được cho ở hình
1(a). Các cực sẽ quay ngược lại một góc 30° khi tải được tăng đến 1MW. Góc 30° là một thứ tự
hướng của đồ thò cho trước. Nó phản ánh những gì xảy ra khi tải trên động cơ được tăng từ 0
đến 1MW.

Hình 1
Nhưng nếu tải 1MW được áp đặt một cách đột ngột thì rotor sẽ quay ngược về sau một
góc lớn hơn 30° và có thể dao động khoảng từ 45 đến 50° từ vò trí không tải. Ở một mức độ nào
đó, động cơ sẽ vượt qua góc 30° mà nó tiến đến, kết quả là khi động cơ làm việc, công suất
hoạt động sẽ vượt quá giá trò 1 MW. Chẳng hạn như nếu động cơ dao động một góc 45° thì
ngay lập tức động cơ sẽ phát ra 1,4MW trong khi tải cơ học vẫn chỉ là 1MW. Sự chênh lệch
0,4MW này dùng để tăng tốc động cơ, làm cho rotor quay trở lại điểm cân bằng 30°. Khi động
cơ tiến đến vò trí mới này, rotor chuyển động rất nhanh và vượt qua một biên rộng mà góc nhỏ
có thể đạt được là 15°. Tại góc mới này, động cơ chỉ có thể sinh ra 0,5MW, lượng công suất
này nhỏ hơn rất nhiều so với 1MW tải cơ học. Tiếp theo sau đó, rotor quay chậm dần và sẽ
quay trở lại, tiến đến và vượt qua điểm 30°.
Hãy xem lại hình 1, rotor sẽ giao động giữa điểm 15° (P
1
) và 45° (P
2
) để tiến đến điểm
vận hành ổn đònh 30° (P
0
). Động cơ khi đó được gọi là đang “dao động” – hướng tới vò trí ổn
đònh, hay dao động trong giai đoạn quá độ. Biên độ dao động sang phải và sang trái của P
0
sẽ
trở nên nhỏ dần và sau một phút hay hơn, động cơ sẽ dừng lại ở vò trí điểm ổn đònh P
0
. Quá
trình mà biên độ dao động giảm dần được gọi là giảm chấn (damping). Giảm chấn có tác động
đặc biệt nếu động cơ được trang bò một lồng sóc.

41
Bộ mơn Kỹ thuật điện, Khoa Điện – Điện tử

Tài liệu hướng dẫn thí
nghiệm h
ệ
th
ố
ng
đ
i
ệ
n

Bất cứ sự thay đổi đột ngột nào về tải cơ học, về điện áp cung cấp hay ngắt quãng
nguồn cung cấp (trong thời gian rất ngắn) đều làm cho động cơ chuyển sang quá trình quá độ.
Tần số của quá độ phụ thuộc chủ yếu vào quán tính của động cơ, vào vận tốc quay và
công suất cực đại của nó. Công thức tính toán gần đúng:

J
Pf
N
F
H
7200
=

Ở đây, F
H
=Tần số dao động (chu kỳ/phút); N=Vận tốc quay (vòng/phút); P=Công suất
đỉnh (kW); f=Tần số đường dây cung cấp (Hz); J=Momen quán tính (kg.m
2
).

Tính tương tự
Sử dụng phép tương tự, có thể hiểu được hiện tượng dò tìm trong quá trình quá độ của
động cơ ở trên. Trên hình 2 là một bánh đà có quán tính lớn ( đặc trưng cho quán tính của động
cơ đồng bộ) được gắn cố đònh vào đầu trục tuabin với kết nối cứng, có thể đo được công suất
của nó phát ra. Nhưng trục ở hình 2(b) liên kết cứng hơn nhiều so với trục ở hình 2(a) và vì vậy
với một momen quay cho trước, nó có thể sinh ra công suất nhiều hơn. Ở hình 3 có hai bánh xe
quán tính đặc trưng cho quán tính của hai máy khác nhau được gắn cố đònh vào đầu của hai
trục có cùng liên kết cứng.

(a) (b)
Hình 2

(a) (b)
Hình 3
Có thể quan sát được rằng, nếu các trục được quay một góc, ví dụ là 30° và đột ngột thả
ra thì chúng sẽ dao động nhưng ở tần số khác nhau. Với một quán tính cho trước, trục dày (thể
hiện công suất lớn) như hình 2(b) sẽ dò tìm (trải qua quá trình quá độ) nhanh hơn là trục ở hình
2(a). Cũng tương tự như vậy, với một mức công suất cho trước, trục gắn một bánh đà lớn hơn
(thể hiện quán tính lớn hơn) ở hình 3(b) sẽ dò tìm chậm hơn nhiều so với trục cho ở hình 3(a).
Động cơ đồng bộ và đường dây truyền tải
Hình 4 trình bày sơ đồ mạch của một động cơ đồng bộ có một điện kháng đồng bộ X
S

nối vào đầu một đường dây truyền tải có điện kháng X
L
.
Giả sử rằng điện áp cung cấp và sức điện động cảm ứng đều bằng E, tức là E
1
= E
0

,
công suất cực đại có thể truyền đến động cơ đó là:

SL
XX
E
P
+
=
2

Công suất này nhỏ hơn công suất đỉnh nếu nối động cơ trực tiếp vào nguồn S, và kết
quả là tần số dao động thấp hơn.

42
Bộ mơn Kỹ thuật điện, Khoa Điện – Điện tử
Tài liệu hướng dẫn thí
nghiệm h
ệ
th
ố
ng
đ
i
ệ
n



Hình 4

II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM :

Động cơ/Máy phát đồng bộ 3 pha EMS 8241
Dây truyền tải ba pha EMS 8329
Watt kế/ Var kế ba pha EMS 8446
Bộ nguồn EMS 8821
Bánh đà EMS 8915
Máy hoạt nghiệm EMS 8922
Các dây kết nối EMS 9128

III. PHẦN THÍ NGHIỆM :
1. Kết nối động cơ/máy phát đồng bộ ba pha vào đầu ra của nguồn cấp điện xoay chiều
AC cố đònh và điều chỉnh kích từ động cơ để công suất phản kháng cấp cho động cơ bằng 0
(xem hình 5).

Hình 5
Mở và tắt nguồn AC và với máy hoạt nghiệm, hãy quan sát sự dao động – quá trình quá
độ của rotor.
2. Lặp lại bước 1 sau khi đã gắn bánh đà vào trục động cơ để tăng quán tính trục động
cơ. Tần số dao động khi đó như thế nào?
____________________________________________________________________________
So sánh với kết quả quan sát trong bước 1
____________________________________________________________________________
3. Lặp lại bước 2 nhưng lần này nối động cơ qua một đường dây truyền tải 400Ω và
chỉnh Q
2
=0 (xem hình 6). Để khởi động động cơ có thể thiết lập trở kháng của đường dây
bằng không; bằng cách này có thể hạn chế được tổn thất điện áp trên đường dây do dòng khởi
động cao.

43
Bộ mơn Kỹ thuật điện, Khoa Điện – Điện tử
Tài liệu hướng dẫn thí
nghiệm h
ệ
th
ố
ng
đ
i
ệ
n

Tần số dao động bò giảm một cách đáng kể, kéo theo sự giảm công suất đỉnh của động
cơ. Tần số dao động lúc này như thế nào?
____________________________________________________________________________
4. Lặp lại bước 3 nhưng không có bánh đà. Điều gì xảy ra đối với tần số dao động?
____________________________________________________________________________
Có thể dễ dàng duy trì tính đồng bộ của động cơ bằng cách đóng cầu dao điện thật
nhanh không?
 Có  Không

Hình 6

V. CÂU HỎI KIỂM TRA:

1. Một máy phát điện xoay chiều có công suất 200MW, 13,2kV, 50Hz, 375 vòng/phút.
Dưới kích từ đònh mức (E
0
=13,2kV) máy phát có thể phát ra công suất đỉnh là 300MW. Biết

rằng tần số dao động tự nhiên là 20 chu kỳ/phút.
a) Momen quán tính xấp xỉ của tải động cơ bằng bao nhiêu?
____________________________________________________________________________
b) Giá trò của điện kháng đồng bộ bao pha bằng bao nhiêu?
____________________________________________________________________________
2. Điện áp ở một thành phố lớn tăng và giảm một cách chu kỳ dẫn đến mất điện thoáng
qua. Hãy giải thích điều này?
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
3.Một động cơ đồng bộ lớn được nối vào cuối một đường dây truyền tải dài sẽ dò tìm
chậm hơn nhiều so với khi nó được nối với một thanh góp vô hạn. Hãy giải thích tại sao?
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
4.Cho một máy phát 175W với bánh đà có momen quán tính 0,034kg.m
2
và điện kháng
đồng bộ ba pha bằng 400Ω. Nếu động cơ này được nối với một nguồn ba pha 380V và nếu
điện áp kích thích E
0
bằng 380V (điện áp dây), hãy xác đònh tần số dao động tự nhiên trong
điều kiện không tải. Giá trò này có tương ứng với giá trò tìm được bởi thí nghiệm không?
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________